固定化酵母對金屬離子吸附性能的研究

孟君，丁慧嬌，陳鑫，張峻松，韓永輝，鄭炬萍

鄭州輕工業學院食品與生物工程學院（鄭州 450002）

隨著生活水平的提高，含重金屬的污染物通過各種途徑進入生活的各個方面，造成嚴重的環境污染。其中，空氣、土壤和水中的有毒重金屬對環境的嚴重威脅正逐漸成為全球性問題，因此與環境相關的有毒重金屬離子的有效去除與分離技術就成為一項富于挑戰性的工作[1]。常用重金屬廢水處理方法有化學沉淀法、離子交換法、電化學法、膜過濾等[2]。與這幾種處理方法相比，生物吸附法作為新興的水體重金屬污染處理方式具有效率高、成本低、價格低廉、吸附迅速、廢棄物便于儲存與分離等特點受到廣泛關注[3-4]。國內外研究現狀，自從20世紀70年代生物吸附引起關注以來，生物吸附的研究變得非常活躍[5]。近年來的大量研究表明，一些微生物如細菌、真菌藻類對重金屬有很強的吸附作用[6]。其中，釀酒廠的廢菌體啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是具有實用潛力的生物吸附劑[7]。以啤酒酵母吸附法處理重金屬廢水的優點：價格低廉，制備方法簡單，吸附效果好，具有良好的穩定性，天然、無毒、不造成生態系統的二次污染。因此，啤酒酵母將在重金屬廢水處理中具有良好的應用前景。游離的和懸浮的微生物生物量的缺點是顆粒小、機械強度低，處理后的生物量與出水難以分開，采用固定化細胞可以克服這些缺點[8]。

試驗選擇釀酒酵母，采用海藻酸鈉包埋的方法進行固定化，探討固定化酵母對重金屬離子的吸附性能以及吸附條件對吸附率的影響，具有一定現實意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

安琪釀酒高活性干酵母（白酒專用耐高溫型）；濃硝酸（優級純，煙臺市雙雙化工有限公司）；鹽酸（優級純，煙臺市雙雙化工有限公司）；氫氧化鈉（分析純，天津市德恩化學試劑有限公司）；CuCl2·2H2O（分析純，廣東汕頭市西隴化工廠）；MnCl2·4H2O（分析純，廣東-汕頭市西隴化工廠）；鉛、銅、鋅、鎘，錳單元素標準溶液（GB，1 000 μg/mL，國家標準物質研究中心）；無水葡萄糖（分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司）；無水氯化鈣（分析純，天津百倫斯生物技術有限公司）；海藻酸鈉（食品級，河南三化生物科技有限公司）；試驗用水均為去離子水。

1.2 儀器與設備

電子天平（上海浦春計量儀器有限公司）；恒溫培養搖床（THZ-100，上海一恒科技儀器有限公司）；pH計（pHS-2C實驗室pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司）；原子吸收光譜儀（AA240FS，美國瓦里安公司）；元素空心陰極燈（美國瓦里安公司）；容量瓶，試管，燒杯，玻璃棒，移液管等。所有試驗玻璃儀器用前均用10% HNO3浸泡過夜，并用去離子水洗干凈。

1.3 方法

1.3.1 固定化酵母的制備

稱取4 g釀酒活性干酵母放置于50 mL燒杯中，加入10 mL 2%葡萄糖溶液進行活化，活化至出氣泡（時間約10 min）。加入100 g海藻酸鈉水溶液（質量分數2.5%），將其混合均勻。將混合液吸入針筒中，滴入約含300 mL氯化鈣溶液（質量分數10%）的500 mL燒杯中，注意滴出的速度和下落高度，使凝膠顆粒保持均勻一致。滴完后使其在氯化鈣溶液中浸泡60 min，得到海藻酸鈉固定化酵母球形顆粒，用蒸餾水沖洗3次，放入冰箱里備用。

1.3.2 試驗方法

配制5種重金屬水溶液，加入一定量固定化釀酒酵母吸附劑，采用火焰原子吸收分光光度法，測定不同條件下吸附前后水溶液中相應離子濃度，計算吸附劑對離子的吸附率和吸附量，每個條件下的試驗重復3次，結果取平均值，并與空白吸附試驗對照。

1.3.2.1 標準工作系列及工作方程的建立

標準曲線的制作：準確吸取各重金屬元素標準貯備液，用去離子水配制成各元素濃度范圍的標準系列Mn：0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 mg/L，Pb：1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 mg/L，Cu：1.0，2.0，3.0，5.0，7.0，9.0 mg/L，Zn：0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mg/L，Cd：0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 mg/L。在各元素測定的最佳條件下，上機測定各元素相應的標準系列溶液得Mn、Pb、Cu、Zn、Cd相應的回歸方程分別為：A=0.240 03C+0.004 48，A=0.050 27C+0.026 08，相關系數為0.999 6，Cu：A=0.100 34C+0.038 49，Zn：A=0.559 64C+0.003 45，Cd：A=0.106 34C+0.324 72，相關系數依次為0.998 9，0.999 6，0.991 4，0.999 0，0.993 2。

1.3.2.2 樣品測定

在5種重金屬元素標準系列溶液測定的最佳條件下，依次測定不同條件下的樣品溶液中對應元素吸光度，由制訂的各元素的標準曲線方程，得樣品溶液中待測離子含量。

2 結果與分析

2.1 固定化釀酒酵母對5種重金屬離子的吸附效率

分別配制50 mg/L的5種重金屬離子的溶液，使離子溶液pH范圍為2～3，分別吸取3 mL該質量濃度的溶液到試管中，依次加入1.3.1中制備的固定化后酵母吸附劑1.0 g，在30 ℃、轉速180 r/min條件下，在恒溫振蕩搖床中振蕩吸附1 h后，從對應試管中各吸取1 mL，用0.45 μm的微孔濾膜過濾，稀釋50倍后，用原子吸收光譜儀，測定加入吸附劑前后溶液中相應離子濃度，計算固定化酵母吸附劑對5種重金屬的吸附效率。吸附效果見圖1。

從圖1中可以看出，相同條件下，該吸附劑對5種重金屬離子的去除效率依次Cu2+＞Mn2+＞Pb2+＞Zn2+＞Cd2+，固定化釀酒酵母對Cu2+、Mn2+的吸附率較高，因此，試驗選擇Cu2+、Mn2+作為研究對象。

圖1 固定化釀酒酵母對5種重金屬離子的吸附效率

2.2 影響固定化酵母吸附性能的因素

為使生物吸附劑達到使用的理想狀態，對影響生物吸附劑吸附性能的因素進行考察研究，從而確立最佳吸附條件[9]。

2.2.1 重金屬離子初始質量濃度對吸附效率的影響

配制Cu2+、Mn2+系列質量濃度為10，20，30，40和50 mg/L，取3 mL不同濃度系列Cu2+、Mn2+的溶液于40 mL試管中，分別加入1.3.1制備的固定化酵母各1.0 g，混合后，用1%的HCl和0.1 mol/L的NaOH將溶液調至pH 2.0～3.0，在30 ℃、轉速180 r/min條件下，在恒溫振蕩搖床中振蕩，吸附1 h。從各自對應試管中吸取1 mL，稀釋50倍，用火焰原子吸收光譜儀，測定加入吸附劑前后溶液所含待測重金屬離子的質量濃度，每個條件做3個平行樣，結果取平均值，根據測定結果，計算固定化釀酒酵母吸附劑對兩種離子的吸附率，結果見圖2。

從圖2可以看出，Mn2+初始質量濃度在10～40 mg/L，固定化釀酒酵母對錳離子的吸附效率不斷增大，40～50 mg/L之間吸附效率呈下降趨勢，錳離子的最佳吸附質量濃度為40 mg/L；而Cu2+初始質量濃度在10～50 mg/L之間呈上升趨勢，50 mg/L的吸附率達53.15%，為進一步考察吸附劑對Cu2+吸附的最佳質量濃度，將Cu2+初始質量濃度設定為100，150，200，250和300 mg/L。

圖2 Mn2+、Cu2+的初始質量濃度對吸附效率的影響

由圖2可以看出，在Cu2+初始質量濃度為100～300 mg/L時，隨著溶液中重金屬離子初始質量濃度增加，吸附效率先升高再降低。Cu2+初始質量濃度為250 mg/L時，固定化酵母具有較好的吸附效果，但較50 mg/L時的低。因此，固定化酵母吸附Cu2+的濃度最佳質量濃度選取50 mg/L。

2.2.2 吸附劑投放量對重金屬吸附效率的影響

分別將0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 g的固定化釀酒酵母吸附劑，依次加入有3 mL 40 mg/L Mn2+、50 mg/L Cu2+的溶液試管中，混合均勻，吸附1 h，從對應試管中各取1 mL，稀釋50倍，測定溶液加入吸附劑前后相應離子濃度，根據測定結果，比較不同投放量的固定化釀酒酵母吸附劑對Mn2+、Cu2+離子的吸附效果，根據吸附率選出吸附劑最佳的投放量，試驗結果見圖3和圖4所示。

從圖3可以看出，Mn2+、Cu2+吸附率隨著吸附劑投放量增加呈上升趨勢，且上升趨勢比較明顯，固定化釀酒酵母對錳離子的吸附呈現緩慢上升趨勢。

圖3 不同吸附劑投放量對Mn2+、 Cu2+的吸附效率的影響

從圖4可以看出，單位吸附劑投放量1.5 g時，Cu2+吸附效率最大，單位吸附劑投放量2 g時，Mn2+吸附效率在最大。這主要是因為固定化釀酒酵母的投加量增加，為重金屬離子提供了更多的吸附位點，而溶液中Cu2+和 Mn2+的量是一定的，因而有更多的重金屬離子被吸附，去除率升高。總體來說，Mn2+、Cu2+單位吸附劑投放量吸附效率隨著固定化釀酒酵母投加量的增加而減少，這是因為固定化釀酒酵母的投加量增加，而溶液中重金屬離子總量一定，導致吸附劑上大量吸附位點沒有被利用，單位吸附劑吸附的重金屬離子的量減少。考慮運行成本，選擇吸附劑最佳投放量為1.5 g固定化釀酒酵母用于吸附Cu2+，2 g固定化釀酒酵母吸附用于吸附Mn2+。

圖4 單位吸附劑投放量Mn2+、 Cu2+的吸附效率

2.2.3 吸附時間對吸附效率的影響

吸附時間是表征吸附劑對重金屬離子吸附過程的重要參數。以Mn2+40 mg/L、Cu2+50 mg/L，固定化釀酒酵母吸附劑2.0 g和1.5 g，混合后振蕩吸附，每隔1 h取1次樣，考察1，2，3，4和5 h吸附時間對吸附性能的影響，試驗結果見圖5和圖6所示。

圖5 Mn2+、Cu2+的不同吸附時間變化對吸附效率的影響

圖6 不同吸附時間變化對Mn2+、 Cu2+的吸附速度的影響

從圖5可以看出，隨著吸附時間的增加，Mn2+、Cu2+吸附率呈上升趨勢，銅離子在3～4 h之間上升趨勢比較明顯，4～5 h之間上升趨勢略弱，Mn2+呈直線上升趨勢。

從圖6可以看出，在4 h時，Mn2+、Cu2+的吸附率差值最大，即4 h是二者的吸附速度都最大，所以，從經濟效率及成本考慮，Mn2+、Cu2+的最佳吸附時間選擇4 h。

2.2.4 吸附溫度對吸附效率的影響

固定其他吸附條件不變，依次改變吸附溫度為20，25，30，35和40 ℃。吸附4 h后，從對應試管中吸取1 mL，取出的樣品稀釋50倍，用火焰原子吸收光譜儀測定溶液加入吸附劑前后所含待測重金屬濃度，測定結果如圖7所示。

從圖7可以看出，Mn2+在20～40 ℃溫度范圍內，改變吸附溫度，固定化酵母對Mn2+的吸附幾乎沒有影響。Cu2+隨著溫度的變化吸附率大小變化也不大，考慮到升高溫度會使溶液薄膜厚度減薄，密度和黏度降低，離子的擴散速度增加，適當升高溫度有利于固定化釀酒酵母對重金屬離子的吸附。為此，在試驗過程中，選擇吸附溫度為30 ℃。

圖7 Mn2+、Cu2+的不同吸附溫度變化對吸附效率的影響

2.2.5 pH對重金屬吸附效率的影響

其他吸附條件不變，用1%的HCl或0.1 mol/L的NaOH調節溶液的酸堿度，使溶液的pH依次為1，2，3，4和5，考察溶液pH對吸附效果的影響，試驗結果如圖8所示。在溶液pH 1～2時Mn2+吸附率呈上升趨勢，pH 2～5時呈下降趨勢，在pH 2時，固定化釀酒酵母對Mn2+的吸附率最高，所以固定化釀酒酵母對Mn2+的最佳吸附pH為2。固定化釀酒酵母對Cu2+的吸附效率在pH 1～4時呈上升趨勢，pH 4～5時呈下降趨勢，在pH 4時固定化釀酒酵母對Cu2+的吸附率最高，所以固定化釀酒酵母對Cu2+的最佳吸附pH為4。

圖8 Mn2+、Cu2+的不同pH對吸附效率的影響

2.3 同存離子的競相吸附

配制Mn2+、Cu2+100 mg/L單元素離子液及Cu2+、Mn2+100 mg/L的混合儲備液調節溶液pH 3，依次吸取3 mL的相應溶液到試管中，分別加入固定化釀酒酵母吸附劑1.0 g，混合后，在30 ℃，轉速為180 r/min的條件下，在恒溫振蕩搖床中振蕩吸附4 h。吸附時間結束后，稀釋測定，每1個條件有3個平行樣，結果取平均值。比較2種重金屬的競相吸附效率，相同條件下，單組份 Cu2+和Mn2+的吸附率分別為56.99%和21.20%。雙組分的吸附率分別為67.24%和29.05%。

由此可以看出，Mn2+、Cu2+共存時，單位吸附劑吸附Mn2+、Cu2+吸附率較單獨離子存在時的吸附率高，這可能是因為Mn2+、Cu2+與固定化釀酒酵母之間發生共同吸附，形成Mn2+、Cu2+金屬絡合物。

3 結論

試驗以海藻酸鈉為包埋劑，采用包埋的方法固定化釀酒酵母，用固定化酵母作為吸附劑，研究其對5種重金屬離子Cu2+、Mn2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+吸附性能。結果表明，固定化釀酒酵母對5種離子的吸附效率依次Cu2+＞Mn2+＞Pb2+＞Zn2+＞Cd2+，其中吸附效果最好的2種重金屬是Cu2+、Mn2+。

以吸附效果較好的2種重金屬離子Cu2+、Mn2+為研究對象，改變重金屬離子的初始質量濃度、吸附劑投放量、吸附溫度、吸附時間、pH，考察對吸附效率的影響，得出固定化釀酒酵母對Cu2+、Mn2+最佳的吸附條件。Cu2+的最佳吸附條件：初始質量濃度50 mg/L，吸附劑投放量1.5 g，時間4 h，溫度30 ℃，pH 4。Mn2+的最佳吸附條件：初始質量濃度40 mg/L，吸附劑投放量2 g，時間4 h，溫度30 ℃，pH 2。

Cu2+、Mn2+2種重金屬離子的競相吸附試驗表明，在2種離子共存的條件下，固定化酵母對2種離子吸附效率比單個金屬離子的吸附率都有明顯提高，說明兩種離子的存在能相互促進吸附。

生物吸附法是一種經濟有效的處理大規模低濃度重金屬廢水的生物技術，其中酵母是具有實用潛力的生物吸附劑。研究開發新的生物吸附劑及其固定化技術，研究增強生物吸附劑吸附性質的化學或生物試劑在將來有更廣泛的應用[10]。試驗結果為利用價廉易得的廢棄酵母作為吸附材料去除廢水中的重金屬、解決重金屬污染的凈化處理問題提供一定參考。但由于試驗是在實驗室條件下的模擬重金屬離子水溶液的試驗，對于多種基質存在條件下的復雜環境中實際樣品的吸附，還需要更進一步的研究和論證，固定化釀酒酵母作為吸附劑吸附廢重金屬離子的吸附機理，固定化釀酒酵母吸附重金屬離子后的后續處理等有待進一步研究探討。